Soutenance de thèse de TAKALA Adonis Steve
Titre de thèse
Fabrication de substrats GeOI pour les capteurs d'images du proche infra-rouge par Condensation de Ge
Fabrication of GeOI substrates for near-infrared image sensors by Ge condensation
Résumé de la thèse
Cette thèse porte sur le développement de substrats germanium-sur-isolant (GeOI) pour des applications de photodétection dans le proche infrarouge (NIR). Alors que le silicium reste le matériau de référence pour les capteurs d'image CMOS grâce à sa maturité technologique et à sa compatibilité avec les procédés industriels, ses propriétés d'absorption deviennent insuffisantes au-delà du visible, limitant fortement ses performances dans les domaines NIR et SWIR. Le germanium apparaît comme une alternative particulièrement prometteuse en raison de son faible gap énergétique et de sa forte absorption optique dans ces gammes spectrales, tout en restant compatible avec la filière silicium. L'objectif principal de cette thèse est l'élaboration de couches GeOI monocristallines de haute qualité cristalline et à faible densité de défauts à partir de la technique de condensation du germanium. Cette approche repose sur l'oxydation sélective du silicium dans des alliages SiGe déposés sur substrats SOI, conduisant progressivement à un enrichissement en germanium. Dans un premier temps, des procédés de condensation planaire sur plaques SOI de 300 mm ont été développés et comparés selon des régimes dits « chauds » et « froids ». Les limites intrinsèques de cette approche bidimensionnelle ont été mises en évidence, notamment l'apparition de relaxation plastique et de démouillage à l'état solide à fort enrichissement en germanium. Afin de dépasser ces limitations, une stratégie innovante de condensation tridimensionnelle (3D) sur motifs lithographiés a été proposée. Cette approche a permis la fabrication de couches GOI entièrement relaxées, monocristallines et exemptes de défauts de relaxation. L'influence de la géométrie des motifs sur la cinétique d'enrichissement, la relaxation élastique et la stabilité morphologique a été étudiée à l'aide de techniques avancées de caractérisation structurale et chimique (TEM, STEM-EDX, Raman, TOF-SIMS, AFM). Enfin, la thèse explore l'intégration de ces couches GOI comme germes pour une reprise d'épitaxie sélective du germanium visant à produire des couches GeOI épaisses et continues adaptées aux dispositifs photodétecteurs. Les effets des traitements de surface, des phénomènes de démouillage à l'état solide, ainsi que des conditions de coalescence sur la qualité structurale finale des couches ont été analysés. Ce travail établit ainsi des règles de conception et d'intégration pour la fabrication de substrats GeOI avancés compatibles avec les futures générations de photodétecteurs infrarouges intégrés sur silicium.
Thesis resume
This PhD thesis focuses on the development of germanium-on-insulator (GeOI) substrates for near-infrared (NIR) photodetector applications. While silicon remains the dominant material for CMOS image sensors due to its technological maturity and industrial compatibility, its optical absorption drastically decreases beyond the visible spectrum, limiting its performance in the NIR and SWIR ranges. Germanium is considered a highly promising alternative because of its narrow bandgap and strong optical absorption in these wavelength ranges while maintaining compatibility with silicon-based technologies. The main objective of this work is the fabrication of high-quality, low-defect monocrystalline GeOI layers using the germanium condensation technique. This approach relies on the selective oxidation of silicon in SiGe alloys grown on SOI substrates, progressively enriching the remaining layer in germanium. First, planar Ge condensation processes on 300 mm SOI wafers were developed and compared under both high-temperature (“hot”) and low-temperature (“cold”) regimes. The intrinsic limitations of this two-dimensional approach were identified, particularly the onset of plastic relaxation and solid-state dewetting at high Ge enrichment levels. To overcome these limitations, an innovative three-dimensional (3D) condensation strategy based on patterned structures was developed. This approach enabled the fabrication of fully relaxed, monocrystalline, defect-free GOI layers on submicron-scale features. The influence of pattern geometry on enrichment kinetics, elastic strain relaxation, and morphological stability was systematically studied using advanced structural and chemical characterization techniques, including TEM, STEM-EDX, Raman spectroscopy, TOF-SIMS, and AFM. Finally, this work investigates the integration of these GOI layers as seeds for selective germanium epitaxial regrowth to fabricate thick and continuous GeOI films suitable for photodetector applications. The effects of surface preparation, solid-state dewetting mechanisms, and coalescence conditions on the final structural quality of the Ge layers were analyzed. This work therefore establishes integration and design guidelines for the fabrication of advanced GeOI substrates compatible with future silicon-integrated infrared photodetectors.